基于氢燃料电池的悬浮控制供电电路

技术领域

本申请涉及悬浮控制技术领域，特别是涉及一种基于氢燃料电池的悬浮控制供电电路。

背景技术

为实现磁浮列车真正的贴地飞行，降低受流靴与接触轨接触带来的线路阻力，减小线路建设成本，杜绝接触轨外露存在安全隐患等，中低速磁浮列车需要取消受流轨供电方案，通过车载储能或车载发电来提供电能。

当燃料电池应用在磁悬浮控制系统中时，因为输出负载为悬浮电磁铁，属于典型感性负载，在悬浮控制器对电磁铁进行闭环控制时，因负载及悬浮间隙的动态变化导致悬浮控制器功率波动较大，且其在额定工况和峰值工况下输入功率相差6倍以上，而燃料电池为额定功率供电系统，用在悬浮控制器领域则需按其峰值功率进行配置，这将导致燃料电池利用效率以及能量密度比非常低且成本高昂，同时氢燃料电池其系统输出动态响应非常慢，无法满足悬浮控制系统较高电流变化率的需求。以上相关问题直接阻碍了氢燃料电池在悬浮控制领域的推广与应用。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于氢燃料电池的悬浮控制供电电路，以提高燃料电池利用效率并适应悬浮控制的高变化率。

一种基于氢燃料电池的悬浮控制供电电路，所述电路包括：

氢燃料电池模块、稳压单元、储能模块、计时器电路以及悬浮控制模块；所述计时器电路连接所述氢燃料电池模块；

所述稳压单元连接所述氢燃料电池模块、所述储能模块以及所述悬浮控制模块，用于稳定所述氢燃料电池模块输出的不稳定直流电源以输出至所述悬浮控制模块和/或所述储能模块；

当悬浮系统处于额定工况时，所述氢燃料电池模块切换至恒功率输出模式，根据所述储能模块的容量状况控制切换所述氢燃料电池模块的工作状态；所述工作状态包括输出功率不小于悬浮功率的第一工作状态和输出功率小于悬浮功率的第二工作状态；

切换工作状态时，所述计时器电路复位并开始计时以获得对应的工作状态持续时间和所述工作状态持续时间内稳压模块的输出电压变化值，用于计算悬浮单周期控制工作时间与所述工作状态持续时间的比值，使得所述比值与所述输出电压变化值的乘积小于悬浮控制工作电压的万分之一；

当悬浮系统处于峰值工况时，所述氢燃料电池模块切换至限流输出模式，所述储能模块切换至放电状态，使得氢燃料电池模块和所述储能模块输出电压至稳压模块一并为悬浮控制模块供电。

上述基于氢燃料电池的悬浮控制供电电路，首先，加入了储能模块，当悬浮系统处于额定工况，氢燃料电池模块切换至恒功率输出模式，并根据储能模块的容量情况选择氢燃料电池模块的工作状态，即将氢燃料电池输出功率控制在一定范围内，并根据储能模块的容量选择氢燃料电池模块的输出功率不小于或者小于悬浮功率这两种工作状态，切换工作状态时，计时器电路复位开始计时以获取对应的工作状态持续时间，以及工作状态持续时间内稳压模块的输出电压变化值，并计算悬浮单周期控制工作时间与工作状态持续时间的比值，使得比值与输出电压变化值的乘积小于当前的悬浮控制工作电压的万分之一。因为在根据额定工况下，充分考虑储能模块的容量状况，切换氢燃料电池模块的工作状态，会导致实际工作时稳压模块输出工作电压在一定时间区间内周期波动，控制好工作状态持续时间和输出电压变化值以确保对于悬浮系统来讲其输入供电电压是处于稳压工作状态。此外根据储能模块的容量状况选择氢燃料电池的工作状态，避免了因悬浮控制波动引起储能模块频繁切换充放电状态和氢燃料电池模块频繁切换工作状态，提高了使用寿命。在峰值工况下，由于为了提高电池利用率，氢燃料电池配置的额定功率小于悬浮系统峰值功率，氢燃料电池模块无法单独满足悬浮系统功率需求，此时储能模块可以切换至放电状态实时适应高变化率的悬浮系统，弥补了氢燃料电池动态输出响应慢的缺陷。

附图说明

图1基于氢燃料电池的悬浮控制供电电路的模块示意图；

图2为基于氢燃料电池的悬浮控制供电电路的示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

如图1所示，提供了一种基于氢燃料电池的悬浮控制供电电路，包括：

氢燃料电池模块、稳压单元、储能模块、计时器电路以及悬浮控制模块。其中，计时器电路连接氢燃料电池模块。

稳压单元连接氢燃料电池模块、储能模块以及悬浮控制模块，用于稳定氢燃料电池模块输出的不稳定直流电源以输出至悬浮控制模块和/或储能模块。

当悬浮系统处于额定工况时，氢燃料电池模块切换至恒功率输出模式，根据储能模块的容量状况控制切换氢燃料电池模块的工作状态。其中，工作状态包括输出功率不小于悬浮功率的第一工作状态和输出功率小于悬浮功率的第二工作状态。

当悬浮系统处于峰值工况时，氢燃料电池模块切换至限流输出模式，储能模块切换至放电状态，使得氢燃料电池模块和储能模块输出电压至稳压模块一并为悬浮控制模块供电。

可以看出，悬浮系统的实际工况不同，氢燃料电池模块的输出模式不同，加入储能模块大大降低了氢燃料电池功率配置需求，尤其在峰值工况下，氢燃料电池模块和储能模块协同工作，不需要配置满足悬浮系统6倍以上峰值功率的氢燃料电池，，仅需略大于悬浮额定功率即可，也可为悬浮系统提供峰值功率。在峰值工况下，由于为了提高电池利用率，氢燃料电池配置的额定功率小于悬浮系统峰值功率，氢燃料电池模块无法单独满足悬浮系统功率需求，此时储能模块可以切换至放电状态实时适应高变化率的悬浮系统，弥补了氢燃料电池动态输出响应慢的缺陷。，此处可设置大于悬浮额定功率的1.2倍(根据悬浮系统运行工况确定，一般工况总功率为额定功率的1.1倍)，可大幅度降低系统成本。

燃料电池为额定功率供电系统最大输出功率受限，但输出功率可调整。正常设计时，燃料电池输出功率会大于或小于悬浮额定功率，所以在悬浮系统额定工况运行时，燃料电池通过控制进、排气阀控制输出功率，此时燃料电池输出功率未达到其使用极限值。当悬浮系统峰值功率运行时，控制系统通过检测燃料电池输出电压按照其极限输出功率限制输出电流保证其工作在极限功率输出状态，其好处是可以最大限度提供输出功率以降低储能模块容量波动和避免燃料电池因过功率运行影响其可靠性及使用寿命。

其中，氢燃料电池模块切换工作状态时，计时器电路复位并开始计时以获得对应的工作状态持续时间和工作状态持续时间内稳压模块的输出电压变化值，用于计算悬浮单周期控制工作时间与工作状态持续时间的比值，使得比值与输出电压变化值的乘积小于悬浮控制工作电压的万分之一。

具体地，当储能模块的容量低于预设值时，控制氢燃料电池模块切换至第一工作状态，计算悬浮单周期控制工作时间与第一工作状态持续时间的比值，以及对应的输出电压上升值，使得比值与输出电压上升值的乘积小于悬浮控制工作电压的万分之一。当储能模块的容量不低于预设值时，控制氢燃料电池模块切换至第二工作状态，计算悬浮单周期控制工作时间与第二工作状态持续时间的比值，以及对应的输出电压下降值，使得比值与输出电压下降值的乘积小于悬浮控制工作电压的万分之一。

可以理解，在额定工况下，储能模块实时跟踪悬浮功率，根据实际工况切换充放电状态，以调节氢燃料电池模块输出功率的不足或者多余，因此稳压模块输出电压在一定时间范围内周期波动，因此加入计时器电路用于计时各个工作状态持续时间，通过计算悬浮单周期控制工作时间与工作状态持续时间的比值，以及对应的工作状态持续时间内稳压模块的输出电压变化值，使得比值与输出电压变化值的乘积小于当前的悬浮控制工作电压的万分之一，控制好工作状态持续时间和输出电压变化值以确保对于悬浮系统来讲其输入供电电压是处于稳压工作状态。

此外，根据储能模块的容量状况选择氢燃料电池的工作状态，避免了因悬浮控制波动引起储能模块频繁切换充放电状态和氢燃料电池模块频繁切换工作状态，提高了使用寿命。

在一个实施例中，储能模块包括储能元件和储能功率开关器件。储能功率开关元件连接储能模块，用于导通时使得储能模块和氢燃料电池模块一并输出稳定直流电源至悬浮控制模块，以及用于关断时使得氢燃料电池模块经稳压单元输出稳定直流电源至储能模块以充电。

本电路引入储能功率开关元件，用于根据实际需求切换储能模块的充放电状态，尤其是氢燃料电池的动态输出响应慢，无法实时适应高变化率的悬浮系统，导通储能功率开关元件时，储能模块可实时跟踪悬浮功率并供电，弥补了氢燃料电池动态输出响应慢的缺陷。

在一个实施例中，稳压单元包括电池功率开关模块、电感和电池滤波电容；

电池功率开关模块包括第一电池功率开关器件和第二电池功率开关器件；第一电池功率开关器件连接第二电池功率开关器件；

电池滤波电容包括第一电池滤波电容和第二电池滤波电容；第一电池滤波电容连接于氢燃料电池模块正极端和接地端，第一电池功率开关器件和第二电池功率开关器件分别连接电池滤波电容的两端；

电感的第一端口连接第一电源功率开关器件和第二电源功率开关器件之间的第一公共接线点，电感的第二端口连接中间直流回路正极的第一端口；

中间直流回路正极的第二端口连接储能功率开关元件和第二电池滤波电容之间的第二公共接线点。

可以理解，第一电池滤波电容、第一电池功率开关器件、第二电池功率开关器件、电感、第二电池滤波电容以及储能模块构成具备储能功能的稳压直流电源。

在一个实施例中，悬浮控制模块包括控制功率开关模块和悬浮电磁铁；

控制功率开关模块包括第一控制功率开关器件和第二控制功率开关器件；第一控制功率开关器件连接第二公共接线点；

悬浮电磁铁连接第一控制功率开关器件和第二控制功率开关器件，第二控制功率开关器件连接悬浮电磁铁和第一控制功率开关器件之间的第三公共接线点；

第一控制功率开关器件用于调整占空比以控制悬浮电磁铁的输出电流，第二控制功率开关器件用于为悬浮电磁铁提供续流回路。

当氢燃料电池模块处于恒功率输出模式且氢燃料电池模块正极端电压值高于中间直流回路正极端电压值时，第一电池功率开关器件、第二电池功率开关器件、电感和第二滤波电容构成降压稳压电路，电感和第二滤波电容构成降压滤波电路；第一电池功率开关器件、第二电池功率开关器件在额定开关频率下互补工作，通过调整第一电池功率开关器件的占空比以控制第一电池功率开关器件的输出电压及输出电流，使得氢燃料电池保持在恒功率输出模式；

当中间直流回路正极端电压值高于储能模块正极端电压值时，储能功率开关元件件关断，用于为储能元件充电；

当储能模块正极端电压值高于中间直流回路正极端电压值时，储能功率开关元件导通，用于储能元件和氢燃料电池模块一并输出电压至悬浮控制模块。

如图2所示，提供基于氢燃料电池的悬浮控制供电电路的示意图。其中，F_BAT为氢燃料电池模块，EA1、EA2分别为第一电池滤波电容和第二电池滤波电容，LA1为电感，E1为储能模块，可选用超级电容、锂电池等，QA1、QA2、QA3分别为第一电池功率开关器件、第二电池功率开关器件和储能功率开关元件，可选用MOS、IGBT等，QB1、QB2分别为第一控制功率开关器件和第二控制功率开关器件，构成悬浮电磁铁控制斩波电路，可选用MOS、IGBT等，YA1为悬浮电磁铁，DC+端为中间直流回路正极端。

因氢燃料电池电压波动周期远低于悬浮电磁铁控制周期，故悬浮系统在额定工况时氢燃料电池采用恒功率工作模式，且此时F_BAT输出直流F_BAT+端电压高于DC+端电压，QA1、QA2、LA1、EA2构成降压稳压电路，其中QA1、QA2在额定开关频率下互补工作，通过调整QA1占空比控制输出电压及输出电流，使氢燃料电池保持在恒功率工作模式，LA1、EA2构成降压滤波电路，QA2为LA1电感续流；QB1、QB2构成悬浮控制斩波电路，YA1为悬浮电磁铁，工作时通过控制QB1占空比来控制输出电流，QB2为YA1提供续流回路；系统工作时当DC+端电压高于BAT+电压时通过QA3内置二极管自动充电，正常工况时BAT+端电压与DC+端电压基本相等。

当悬浮控制工作在峰值工况时，此时氢燃料电池输出功率无法满足悬浮控制需求，则DC+端电压会下降，当系统检测到DC+端电压低于BAT+端电压时，QA3导通，E1、F_BAT一起并联输出，为悬浮控制提供电能；当悬浮系统恢复正常工况时，此时燃料电池输出功率大于悬浮控制所需功率，则DC+端电压上升，当检测到DC+端到BAT+端有正向电流时则关断QA3，系统恢复到悬浮额定工况时工作状态。